Appunti Scienza dei materiali - secondo parziale

Effetto degli elementi in lega

Effetti dell'aggiunta di elementi alligati

L'aggiunta di elementi alligati ad un metallo avente trasformazione allotropica causa:

• Variazione della temperatura di trasformazione
• La temperatura di fusione dipende dalle concentrazioni
• Allargamento dei campi di esistenza delle singole fasi (gamma/alfa-geni)

Limitato = c’è una temperatura dove sussiste comunque una trasformazione o austenite -> perlite

Illimitato = possibili le fasi di equilibrio a qualsiasi temperatura. Se gli elementi aggiunti sono più di uno, questi non interagiscono tra di loro. La loro influenza viene mediata e nel pratico si ottiene:

• Diminuzione della dimensione del grano
• Soppressione delle anisotropie (= grani che vengono riorientati in modo isotropico)
• Redistribuzione delle impurezze
• Brusca diminuzione di volume

Raffreddamento di una soluzione liquida

Velocità di raffreddamento nelle trasformazioni

Le trasformazioni descritte nel diagramma Fe-C valgono solamente per velocità di raffreddamento molto lente, ma nella pratica questo non è possibile (si dovrebbe avere un tempo infinito). Si agisce sulla temperatura e sulla velocità di raffreddamento per ottenere proprietà diverse -> fattore tempo, per dare modo agli atomi di muoversi e disporsi in strutture di equilibrio.

Come avvengono le trasformazioni in fase solida

La frazione di fase trasformata è descritta dalla legge di Avrami: = 1 -

• La frazione di fase trasformata dipende quindi dal tempo
• Inoltre anche la velocità di trasformazione dipende dalla temperatura
• Se il raffreddamento è molto lento (ci si può avvicinare alle fasi descritte dal diagramma base)

Diffusione

• La diffusione è tanto più veloce quanto più alta la temperatura -> energia che si dà agli atomi per muoversi e ridisporsi.
• La velocità di diffusione aumenta in modo iperbolico con l’aumentare della temperatura.

Conseguenze della velocità di raffreddamento

• All’aumentare della velocità di raffreddamento si avranno meno precipitati, e non c’è tempo perché avvenga la diffusione.
• Idea di base: prendere una trasformazione e farla avvenire a temperature diverse da quelle descritte dal diagramma.

Variazione della velocità di raffreddamento per trasformazione eutettoidica

Secondo il diagramma avviene a 727°C, e si ha che all’interno dell’austenite inizia a formarsi la struttura a lamelle (nucleazione). Per farla avvenire a temperatura più bassa si deve aumentare il tempo di trasformazione. Si ottiene una struttura diversa a seconda delle velocità di raffreddamento:

• Per temperature appena sotto la temperatura eutettoidica si ha velocità di nucleazione bassa e crescita alta (= pochi grani ma che crescono rapidamente).
• Per temperature moderatamente sotto la temperatura eutettoidica si ha velocità di nucleazione e crescita media.
• Per temperature molto sotto la temperatura eutettoidica si ha velocità di nucleazione alta ma i grani non crescono perché non hanno energia (= tanti grani che però sono piccoli).

In ogni caso si formano grani di perlite, perché la trasformazione che avviene è quella eutettoidica, ma si hanno modifiche alla struttura dei grani.

Trasformazioni isoterme

Consistono in un riscaldamento fino a temperatura di trasformazione Ac3 (austenitica), poi un trattamento a temperatura costante, per diverso tempo di permanenza, poi ha operato un rapido raffreddamento in acqua.

Curve di Bain e curve TTT (time temperature transformation)

• Quanto si deve lasciare a temperatura costante un pezzo perché avvenga totalmente la trasformazione?
• Curva di inizio e fine della trasformazione isoterma -> a quella temperatura la trasformazione inizia dopo x tempo.
• Finisce poi dopo aver lasciato il provino per y tempo.
• Caratteristica e unica per ogni tipo di acciaio – possibili due diversi nasi.

Nel diagramma delle TTT quindi vengono descritte le fasi che si formano a diverse temperature, operando il trattamento isotermo, per un acciaio eutettoidico (o diversa composizione specificata).

Proprietà: più si fanno trasformazioni isoterme a temperature più basse, più il materiale avrà durezza elevata.

Perlite

• Perlite grossolana: una perlite con grana più grossa, quindi si ottiene da una velocità di raffreddamento modestamente lenta.
• Perlite fine: velocità di raffreddamento più veloce.
• Troostite: si forma sul “naso” della curva, a 550°C. È la prima trasformazione che avviene in ordine di tempo, e basta poco tempo per farla avvenire.

Proprietà: Più fine è, più la durezza è maggiore (perché si forma tramite trattamento isotermo a temperatura bassa).

Bainite

La struttura bainitica non è prevista dal diagramma di equilibrio, ma si forma per trattamenti isotermi a temperature più basse.

Proprietà: Più si va a formare a temperature basse, più la durezza è maggiore (= è più dura la bainite inferiore). La bainite è composta di grani di ferrite con arricchimenti di carbonio: questi “precipitano” ma in piccolissime parti (aciculare = forma a goccia).

Viene detta bainite superiore perché le lamelle sono di grande dimensione, rispetto agli altri prodotti.

Sferoidite/troostite

Microstruttura di alfa con cementite di forma sferica. Possibile averla sia a temperatura corrispondente al naso della curva TTT, o ottenibile tramite trattamento termico della bainite.

Martensite

Si forma solamente al di sotto di una certa temperatura detta martensite start, e si forma per determinate velocità di raffreddamento. Ottenuta da un calo brusco di temperatura (velocità di raffreddamento molto elevata) da temperatura di campo austenitico, fino ad una temperatura al di sotto della martensite start (200°C).

Succede che il carbonio “vorrebbe” diffondere, ma a quella temperatura bassa non ha energia per diffondere, e si ottiene un BCC sovrassaturo di carbonio. Leggera distorsione del reticolo -> struttura BCT.

Si elimina con un trattamento termico. Ha una forma a lamelle, che hanno stessa composizione dell’austenite in carbonio, ma con reticolo diverso (BCC sovrassaturo e distorto).

Trasformazione martensitica

Si parte da austenite con struttura FCC (stabile): si tratta con la trasformazione, e si forma una struttura CCC che contiene un atomo di carbonio: si forma quindi una struttura CCC che ingloba una BCT (tetragonale a corpo centrato).

La martensite si forma per nucleazione a partire dall’interno del grano di austenite: durante la trasformazione si ha coesistenza di martensite e austenite. Si forma un reticolo leggermente distorto da un lato (tipico del BCT).

L’ampiezza della distorsione è legata al tenore di carbonio in lega. Ne deriva quindi uno stato più internamente tensionato.

Curve di martensite start e finish

• Sono curve che variano molto a causa della composizione dell’acciaio, sia in carbonio che di elementi in lega: = 539 - * %.
• Sono possibili situazioni dove Ms può arrivare anche sotto lo zero.

Austenite residua

• Costituente temibile negli acciai cementati.
• Conferisce scarsa resistenza all’usura e bassa resistenza a fatica.
• Rimossa tramite un trattamento termico di rinvenimento.

Correlazione composizione-microstruttura-proprietà

• In base alla percentuale di carbonio in lega, se si esegue la tempra (= si ha martensite) si ottiene una durezza molto alta.
• Raffreddando più lentamente (= in aria) si ottiene una durezza più bassa. Per cui raffreddando più velocemente si avranno durezze maggiori e lavorabilità più scarsa.

Curve CCT – trasformazioni anisoterme

• Continuous cooling transformation
• Curve che descrivono la composizione al variare della velocità di raffreddamento.

La curva più estrema a sinistra rappresenta un raffreddamento talmente rapido che non interseca le curve di Bain, quindi non si formerà nessuna struttura intermedia (bainite, perlite…) ma solo martensite. Nelle situazioni intermedie si formeranno composizioni intermedie perlite/bainite/... come descritto dalle curve di Bain standard. Queste diverse inclinazioni sono rappresentativi di diversi processi di raffreddamento, e quindi di diversi trattamenti termici, come tempra in olio/acqua, ricottura…

Velocità di raffreddamento

Velocità critica

• La velocità critica è la velocità più bassa alla quale si forma struttura martensitica.
• Con l’aumentare della concentrazione in carbonio le velocità critiche diminuiscono.

Differenza di velocità di raffreddamento tra cuore del pezzo e superficie

Non si ha la stessa velocità di raffreddamento sia per la superficie del pezzo che per il cuore: il metodo di tempra va calcolato in base a quello che si vuole ottenere come proprietà finali.

Riassunto – trasformazioni dell’austenite

Velocità di raffreddamento e fasi

• Bassa velocità: perlite
• Moderata velocità: bainite
• Rapido raffreddamento (tempra): martensite

Non utilizzabile per applicazioni reali, si opera un trattamento di rinvenimento -> martensite rinvenuta. All’aumentare della velocità quello che cambia è la dimensione delle lamelle di cementite.

Fattori di influenza per curve TTT e CCT

Elementi legati aggiunti

Ad esempio come nel grafico, Mo, Cr, Si, V:

• Spostano verso l’alto le curve della trasformazione perlitica e spostano verso il basso la trasformazione bainitica.

Conseguenze sulla modifica della velocità di tempra:

• Abbassano la trasformazione martensitica.
• Martensite che si forma per temperature minori.

Anche elementi con concentrazioni bassissime in lega “spostano” le curve verso destra o sinistra. Spostare verso destra significa metterci più tempo, quindi si è meno sensibili alle velocità critiche = posso raffreddare più piano e ottenere comunque della martensite.

Caratteristiche meccaniche al variare della concentrazione di carbonio

La stessa struttura (perlite, sferoidite, …) può cambiare proprietà meccaniche in base alla concentrazione di carbonio, come mostrano i grafici sotto:

• In ordine da resistenza (e durezza) maggiore (quindi duttilità inferiore): martensite, martensite rinvenuta, bainite, perlite fine, grossolana, sferoidite.

Trattamenti termici

Def. Operazione o successione di operazioni mediante le quali una lega o un metallo vengono assoggettati, al di sotto del punto o dell’intervallo di fusione (=in fase solida), ad uno o più cicli termici, per impartire loro determinate proprietà:

• Si intende quindi il riscaldamento, mantenimento e raffreddamento a certe temperature e velocità, per modificare la struttura in modo mirato per ridefinire le proprietà meccaniche.

Classificazione

Classificazione per temperatura di riscaldamento raggiunta

• Temperatura superiore ad Ac3 (prevede l’austenitizzazione del pezzo): ricottura, normalizzazione, tempra.
• Temperatura Inferiore ad Ac1: ricottura di addolcimento, rinvenimento (martensite).
• Temperatura molto inferiore ad Ac1: invecchiamento (alcune leghe alluminio).
• Trattamenti termomeccanici (laminazione a caldo, ausforming, …)
• Trattamenti termochimici (= diffusione ad alta temperatura)
• Trattamenti particolari come ricottura di globulizzazione, tempra superficiale, …

Classificazione per spessore interessato dal trattamento

• Trattamento termico massivo: un trattamento che viene applicato all’intero pezzo, non solo quindi sulla superficie: il risultato del trattamento (carichi, …) è unico per tutta la massa.
• Trattamento termico superficiale: le caratteristiche volute interessano solo uno spessore da 100 micron a 2 mm, e lasciano il cuore del pezzo alle condizioni iniziali.

Omogeneità dei trattamenti massivi

Spesso non è possibile ottenere una massa molto grande con certe proprietà volute, e sono necessari dei vincoli di approssimazione. Sono comunque dei risultati previsti e ottenuti per forza dalla natura del trattamento.

Normativa che descrive trattamenti termici

UNI EN 10052:95 “vocabolario del trattamento termico dei prodotti ferrosi”

Ricottura

• Consiste nel riscaldamento di un acciaio al di sopra di Ac3 e ad un successivo raffreddamento molto lento da far ottenere al materiale uno stato più prossimo a quello di equilibrio stabile.

Il trattamento prevede la diffusione di carbonio e la sua ridistribuzione all’interno del reticolo, favorita dalla alta temperatura.

Scopo:

• Addolcire il materiale, ovvero ridurre la durezza, portandolo all’equilibrio stabile (= non è metastabile = non si trasforma nel tempo, come la martensite).

Conseguenze:

• Migliora l'omogeneità
• Aumenta la lavorabilità, diminuendo la durezza
• Elimina le tensioni interne
• Elimina gli effetti